平抑風(fēng)電波動(dòng)的混合儲(chǔ)能容量配置及控制策略

徐衍會(huì)，徐宜佳

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路，已上升為國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略[1-2]。風(fēng)能以清潔、高效、無污染等特點(diǎn)成為近年新能源發(fā)展的熱點(diǎn)[3]。風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的持續(xù)增長(zhǎng)[4]在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的同時(shí)[5]，也給電網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)[6]。風(fēng)力發(fā)電具有較強(qiáng)的波動(dòng)性、間歇性和隨機(jī)性，其對(duì)電網(wǎng)可靠運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成的不利影響也日趨嚴(yán)重[7-8]。

近年來，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用成為平抑風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)重要途徑[9]。在風(fēng)電場(chǎng)站附近安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平滑風(fēng)電波動(dòng)，有利于電源側(cè)儲(chǔ)能建設(shè)。單一儲(chǔ)能很難應(yīng)對(duì)平抑風(fēng)電波動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的各種工況[10-11]，目前大多采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)[12]。氫氣作為一種清潔的二次能源，其能量密度高、便于運(yùn)輸儲(chǔ)存[13]，為解決傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式無法實(shí)現(xiàn)能量的長(zhǎng)期存儲(chǔ)問題提供了新思路[14]。中國(guó)“十四五”規(guī)劃已將氫能發(fā)展規(guī)劃為長(zhǎng)期的發(fā)展戰(zhàn)略[15]。超級(jí)電容具有快速響應(yīng)、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)[16]。本文采用由電解制氫和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)場(chǎng)輸出功率，改善并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)滿足2方面的要求。（1）在滿足平抑目標(biāo)的前提下，需要對(duì)系統(tǒng)容量配置進(jìn)行優(yōu)化；（2）需要對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部單元功率進(jìn)行合理分配，保證各元件合理充放電，減少荷電狀態(tài)過高或過低對(duì)儲(chǔ)能元件造成傷害。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和控制效果與儲(chǔ)能容量的大小有著直接的聯(lián)系[17]。文獻(xiàn)[18]以微電網(wǎng)總凈現(xiàn)值成本最小為目標(biāo)對(duì)含有蓄電池和氫儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行容量?jī)?yōu)化。文獻(xiàn)[19]以電解槽和燃料電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)成本最低為目標(biāo)函數(shù)。上述研究主要圍繞系統(tǒng)的成本與收益構(gòu)建容量?jī)?yōu)化模型，僅考慮了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，而少有研究考慮容量配置結(jié)果對(duì)風(fēng)電波動(dòng)平抑效果的影響。

針對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)間的功率合理分配和運(yùn)行協(xié)調(diào)控制，文獻(xiàn)[20]引入修正系數(shù)計(jì)算氫混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配系數(shù)，取得了較好的功率分配結(jié)果。文獻(xiàn)[21]提出了基于荷電狀態(tài)（state of charge, SOC ）模糊控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配策略，優(yōu)化了蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)。上述方法的參數(shù)選取都由人為設(shè)定，存在一定的局限性。

綜上所述，本文通過引入電解槽和超級(jí)電容構(gòu)成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑風(fēng)電出力，提出了平抑效果評(píng)估方法，制定了儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略，并結(jié)合風(fēng)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所提方法既能平抑風(fēng)電波動(dòng)，提高電能質(zhì)量，又能防止超級(jí)電容過充過放，提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。

1 電解制氫-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率選擇與容量配置

為了減小風(fēng)電接入電時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成的不良影響，文獻(xiàn) [22]對(duì)風(fēng)場(chǎng) 1 min和 10 min輸出功率變化的最大限值做出了明確的規(guī)定。

將儲(chǔ)能系統(tǒng)直接接在“源側(cè)”，即在風(fēng)電并網(wǎng)前對(duì)風(fēng)電功率波動(dòng)進(jìn)行平抑，從而使風(fēng)電場(chǎng)輸出功率滿足相關(guān)規(guī)定，減小風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的不利影響。本文采用電解制氫-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電波動(dòng)。能量型儲(chǔ)能元件電解槽主要用于吸收低頻功率。功率型儲(chǔ)能元件超級(jí)電容承擔(dān)吸收高頻功率和向電網(wǎng)釋放功率的任務(wù)。

1.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率選擇

本文從儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及最大限度滿足平抑波動(dòng)需求2個(gè)角度出發(fā),制定了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率的配置原則。

首先對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率Ps(t)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行正態(tài)分布擬合[23]，得到擬合曲線的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則輸出功率Ps(t)為

不同置信水平下儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定輸出功率PN(p)為

波動(dòng)平抑效果和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量呈線性關(guān)系，即儲(chǔ)能容量越大波動(dòng)平抑效果越好。兩者之間存在“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率大于轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率后，波動(dòng)平抑效果開始趨于平緩。若繼續(xù)增大儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，波動(dòng)平抑效果基本不變，但系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性大幅度降低。因此，本文將轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率配置為額定功率，實(shí)現(xiàn)在滿足系統(tǒng)要求的前提下盡量減少儲(chǔ)能功率配置的目標(biāo)。

所有時(shí)刻計(jì)算得到的并網(wǎng)功率波動(dòng)率為一組一維離散隨機(jī)變量。設(shè)滿足平抑要求的并網(wǎng)波動(dòng)量上限為δmax，則并網(wǎng)波動(dòng)率在波動(dòng)限值范圍內(nèi)的概率分布函數(shù)為

設(shè)置信水平為k時(shí)，并網(wǎng)波動(dòng)量在波動(dòng)限值范圍內(nèi)的概率分布函數(shù)為，則當(dāng)置信水平變化為q時(shí)，相應(yīng)的概率變化量為

令置信水平 p的取值分別為 p0，p1，p2，···，pi，其中即置信水平按的幅度等幅增加。設(shè)當(dāng)時(shí)，有，即儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率的增加對(duì)風(fēng)電波動(dòng)的平抑作用開始減弱，則選置信水平為pj時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出功率PN(pj)作為優(yōu)化后的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率，進(jìn)而得到混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的總體功率指令。

1.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)額定容量

基于電解槽吸收低頻功率和超級(jí)電容吸收高頻功率的工作特性，本文通過MAF算法再次對(duì)混合儲(chǔ)能總體功率指令Ps(t)分解，得到的低頻功率分量作為電解槽的功率Pel(t)，Ps(t)與Pel(t)做差得到超級(jí)電容的功率Psc(t)。

吸收相同電量時(shí)，電解槽的成本遠(yuǎn)低于超級(jí)電容，為提高混合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性應(yīng)盡可能減少超級(jí)電容的容量。因此，使用MAF算法分解時(shí)通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)窗口大小進(jìn)而調(diào)節(jié)超級(jí)電容出力，使得超級(jí)電容容量最小，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的目標(biāo)。

將全年儲(chǔ)能總體功率指令序列T劃分為K個(gè)充放電周期，則1個(gè)周期內(nèi)超級(jí)電容的額定容量為

第i個(gè)周期內(nèi)電解槽額定功率由周期內(nèi)最大電解功率指令決定，即

同理，T內(nèi)配置電解制氫系統(tǒng)電解槽額定功率Pel為

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略

荷電狀態(tài)是指剩余電量與額定容量的比值，為避免儲(chǔ)能系統(tǒng)完全充放電，超級(jí)電容的荷電狀態(tài)有一定的上下限值[25]。t時(shí)刻超級(jí)電容的荷電狀態(tài)Ssc(t)為

通過MAF算法分解儲(chǔ)能出力為理論值，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)超級(jí)電容出力受到荷電狀態(tài)的約束。因此本文從超級(jí)電容的荷電狀態(tài)出發(fā)制定混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行控制策略。

工況1：當(dāng)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時(shí)，超級(jí)電容和電解槽共同吸收功率。超級(jí)電容吸收功率值為混合儲(chǔ)能吸收功率與電解槽吸收功率的差值。電解槽的吸收功率為

工況2：當(dāng)荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時(shí)，此時(shí)功率全部由超級(jí)電容吸收。

工況3：當(dāng)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時(shí)，此時(shí)超級(jí)電容停止充電，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)停止運(yùn)行，直至混合儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出放電指令。

工況4：當(dāng)荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時(shí)，此時(shí)超級(jí)電容正常放電。

工況5：當(dāng)荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時(shí)，此時(shí)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)小于最小值，不能繼續(xù)放電，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)停止工作直至混合儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出充電指令。

此外，電解槽運(yùn)行功率受額定功率Pel的限制，若t時(shí)刻電解槽的功率指令大于其額定功率則電解槽按額定功率運(yùn)行，否則按正常分配功率運(yùn)行。

3 算例分析

本文以華北地區(qū)某裝機(jī)容量為250 MW的風(fēng)場(chǎng)為例，選取該風(fēng)場(chǎng)2017年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間間隔為1 min，1個(gè)儲(chǔ)能充放電周期時(shí)長(zhǎng)為24 h。采用電解槽和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行平抑，超級(jí)電容荷電狀態(tài)的范圍為0.05 ～0.95，充放電效率均為95%，初始荷電狀態(tài)為0.50。

3.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率確定及容量配置

對(duì)全年的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)出力Ps(t)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，正態(tài)分布函數(shù)曲線參數(shù)0.013 9，4.726。

表1 不同置信水平下混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量和并網(wǎng)波動(dòng)量的分布函數(shù)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on the results of the distribution function of the rated capacity and grid fluctuations of hybrid energy storage systems at different confidence levels

由表1可知，隨著置信水平的增加，PN(p)和Fp(δmax)也逐漸增大。當(dāng)置信水平97.5%時(shí)，有?F97.5%＜?F97.0%，因此確定混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率9.28 MW。在此基礎(chǔ)上通過上文方法確定超級(jí)電容的額定容量Esc為2.02 MW·h，電解槽額定功率 Pel為 3.1 MW。

3.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略對(duì)比

采用低通濾波（low-pass filter，LPF）算法及本文所提方法，分別在典型日1和典型日2下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其中典型日1儲(chǔ)能系統(tǒng)總充電功率大于總放電功率，典型日2相反。

3.2.1 典型日 1

首先采用低通濾波算法對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)混合出力進(jìn)行分配，其結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可以看出，此時(shí)超級(jí)電容的最大荷電狀態(tài)為1.38，超級(jí)電容出現(xiàn)了過充的問題。因此低通濾波法只能簡(jiǎn)單地將低頻功率與高頻功率分離，沒有考慮到超級(jí)電容的荷電狀態(tài)對(duì)分配結(jié)果的影響。采用本文提出的運(yùn)行控制策略對(duì)儲(chǔ)能功率進(jìn)行分配，結(jié)果如圖2所示。

圖1 典型日1混合儲(chǔ)能系統(tǒng)基于LFP的功率分配及超級(jí)電容荷電狀態(tài)曲線Fig. 1 LFP-based power distribution and supercapacitor charge state profile for a typical day 1 hybrid energy storage system

由圖1和圖2可得：（1）圖2中超級(jí)電容荷電狀態(tài)的最大值為0.946，該策略可以有效避免超級(jí)電容越限；（2）此時(shí)超級(jí)電容出力曲線的波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為1.31，低通濾波算法得到的超級(jí)電容出力曲線的波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為1.95，該策略下超級(jí)電容出力曲線更加平滑；（3）電解槽電解功率隨著超級(jí)電容荷電狀態(tài)的增大而增大，且在荷電狀態(tài)偏低時(shí)，超級(jí)電容承擔(dān)更多吸收功率的任務(wù)。

圖2 典型日1混合儲(chǔ)能系統(tǒng)考慮超級(jí)電容SOC的功率分配及超級(jí)電容荷電狀態(tài)曲線Fig. 2 Typical day 1 hybrid energy storage system considering power distribution of supercapacitor SOC and supercapacitor charge state profile

3.2.2 典型日 2

與典型日1相比，當(dāng)?shù)湫腿?儲(chǔ)能出力中放電出力增加時(shí)，分別采用LPF算法及本文方法進(jìn)行分配，結(jié)果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可得：（1）圖3中超級(jí)電容荷電狀態(tài)的最小值為–1.02，圖4中超級(jí)電容荷電狀態(tài)的最小值為0.192，可以看出本文策略有效避免了超級(jí)電容過度放電；（2）本文策略及LPF算法下超級(jí)電容出力曲線的波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.08、2.65，可以看出考慮超級(jí)電容荷電狀態(tài)后分配得到的超級(jí)電容出力曲線更加平滑。

圖3 典型日2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)基于LFP的功率分配及超級(jí)電容荷電狀態(tài)曲線Fig. 3 LFP-based power distribution and supercapacitor charge state profile for a typical day 2 hybrid energy storage system

圖4 典型日2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)考慮超級(jí)電容SOC的功率分配及超級(jí)電容荷電狀態(tài)曲線Fig. 4 Typical day 2 hybrid energy storage system considering power distribution of supercapacitor SOC and supercapacitor charge state profile

綜上，通過超級(jí)電容荷電狀態(tài)制定分配功率及運(yùn)行控制策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）與低通濾波法相比，基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)的控制策略有效地調(diào)節(jié)了電解槽和超級(jí)電容之間的充放電功率，防止超級(jí)電容過充或過放； （2）當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率指令突然增大（或減?。r(shí)，超級(jí)電容快速響應(yīng)，電解槽的運(yùn)行功則率跟隨超級(jí)電容的荷電狀態(tài)平穩(wěn)變化，波動(dòng)變小。

3.3 平抑效果分析

分別對(duì)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后相鄰時(shí)刻的并網(wǎng)功率的波動(dòng)量和原始并網(wǎng)功率相鄰時(shí)刻的波動(dòng)量進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 典型日1平滑前后并網(wǎng)功率1 min波動(dòng)量概率分布對(duì)比Fig. 5 Comparison of the probability distributions of gridconnected power fluctuation each 1 min on a typical day 1 before and after smoothing

圖6 典型日2平滑前后并網(wǎng)功率1 min波動(dòng)量概率分布對(duì)比Fig. 6 Comparison of the probability distributions of gridconnected power fluctuation each 1 min on a typical day 2 before and after smoothing

分別使用出力標(biāo)準(zhǔn)差σg、最大波動(dòng)量、功率越限次數(shù)n和平均功率越限量4個(gè)指標(biāo)衡量平抑前后并網(wǎng)功率的波動(dòng)程度。對(duì)比計(jì)算有無儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑前后的衡量指標(biāo)參數(shù)值，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 典型日1平滑前后衡量指標(biāo)數(shù)值對(duì)比Table 2 Comparison of measurement values before and after smoothing on a typical day 1

表3 典型日2平滑前后衡量指標(biāo)數(shù)值對(duì)比Table 3 Comparison of measurement values before and after smoothing on a typical day 2

綜合圖5和圖6以及表2和表3可知，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后風(fēng)電波動(dòng)分布更為集中，風(fēng)電輸出功率實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。典型日1原始風(fēng)電波動(dòng)較大，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后、n、分別下降28.67%、79.17%、32.20%，即發(fā)生越限的概率大幅度下降；典型日2加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后、n、分別下降46.59%、100%、100%，即并網(wǎng)功率波動(dòng)全部符合目標(biāo)要求。綜上所述，本文提出的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置及運(yùn)行控制策略有效實(shí)現(xiàn)了平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的目標(biāo)。

4 結(jié)論

在風(fēng)電場(chǎng)側(cè)加裝混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以平滑風(fēng)電出力是減小風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)安全性、可靠性、穩(wěn)定性帶來的不良影響的有效途徑，本文研究了超級(jí)電容與電解制氫相結(jié)合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法，并制定了基于超級(jí)電容的荷電狀態(tài)的運(yùn)行控制策略，通過算例驗(yàn)證了加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)后風(fēng)電波動(dòng)取得了良好的平抑效果。

（1）本文基于華北地區(qū)某風(fēng)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用正態(tài)分布對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，以并網(wǎng)功率波動(dòng)率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在最大化滿足平抑目標(biāo)的前提下確定了儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率。通過考慮經(jīng)濟(jì)性的自適應(yīng)滑動(dòng)窗口算法分解整體功率指令，進(jìn)而確定超級(jí)電容的額定容量和電解槽的額定功率。

（2）綜合考慮電解槽、超級(jí)電容的工作特性約束，本文建立了基于超級(jí)電容荷電狀態(tài)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，該策略依據(jù)超級(jí)電容的荷電狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)電解槽電解功率，與低通濾波算法相比，超級(jí)電容的荷電狀態(tài)在整個(gè)過程中變化范圍減小，不存在過度充放現(xiàn)象，延長(zhǎng)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。

（3）采用本文提出的容量?jī)?yōu)化配置及運(yùn)行控制策略，以風(fēng)場(chǎng)兩個(gè)典型日為例通過混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電出力進(jìn)行平滑處理，對(duì)比平抑前后的風(fēng)電出力標(biāo)準(zhǔn)差、最大波動(dòng)量、功率越限次數(shù)、平均功率越限量以及波動(dòng)概率分布，結(jié)果表明加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后能夠有效平抑風(fēng)電功率波動(dòng)。